[发明专利]一种基于解析解的7自由度机械臂控制方法与系统

说明书

本发明公开了一种基于解析解的7自由度机械臂控制方法与系统，其中系统包括：7自由度机械臂和控制模块，7自由度机械臂和控制模块通信连接；7自由度机械臂中相邻3个关节电机的轴线相交于一点，相邻2个关节电机的轴线垂直；控制模块，用于基于解析解对7自由度机械臂进行逆运动学求解，得到7自由度机械臂中每个关节电机的关节角度，然后基于关节角度进行路径规划，得到从7自由度机械臂的起始点到目标点的多个路径点，在多个路径点之间进行插补计算，得到7自由度机械臂的运行轨迹，对每个关节电机进行轨迹跟踪，实时控制7自由度机械臂运动。本发明求解速度快，提高了多自由度机械臂在复杂环境下路径规划的平滑程度。

技术领域

本发明属于机械臂领域，更具体地，涉及一种基于解析解的7自由度机械臂控制方法与系统。

背景技术

随着现代工业应用场景对机械臂的工作空间限制及灵活度的要求越来越高，6个自由度是具有完成空间定位(3个位置量、3个姿态角)能力的最小自由度数，在越来越多的人机协同作业场合下，6自由度机械臂已无法满足更高的柔性和灵活性要求，对于运动学特性方面，6个自由度机械臂可能存在奇异构型、关节位移超限以及工作环境中存在障碍三大问题，使得机械臂的运动受到较大的限制；对于动力学特性方面，6个自由度机械臂存在关节力矩的分配可能不合理的情况；在容错性方面，若6个自由度机械臂中有一关节失效，则机械臂便无法继续完成工作。因此，增加自由度可改善机器人的运动学和动力学特性。

7自由度机械臂相比6自由度机械臂，多了1个冗余自由度，可以实现工作空间范围内的任意位置均可达且有无穷解，相比6自由度机械臂具有更多的解空间，改善了机器人的运动学和动力学特性，可以保证人机协同作业时，实现避障及人体安全防护等功能，对动态障碍物如运动的工作人员肢体等进行避让，因此，7自由度机械臂具有更好的运动柔性、灵活性和适应性。

目前，7自由度是可以实现灵活避障及解决奇异问题的最少自由度数要求。当7自由度机械臂相邻两个关节轴相互垂直，三个相邻关节轴线均可相交于一点时，满足PIEPER准则，求解逆运动学时得到封闭解。进行路径规划时，常见的方法有人工势场法、遗传算法、蚁群优化算法等，但这些方法都需要在一个确定的空间内对障碍物进行建模，计算复杂度与机器人自由度呈指数关系，不适合解决7自由度这种多自由度机械臂在高维空间和复杂约束下的路径规划。基于快速扩展随机树(RRT，Rapidly-exploring Random Tree)的路径规划算法通过对状态空间中的采样点进行快速、有效地碰撞检测，避免了对空间的建模，能够较好地解决了高维空间和复杂约束的路径规划问题，该方法是概率完备但不是最优的，RRT算法是一种纯粹的随机搜索算法，对环境类型不敏感，当环境中包含大量障碍物或狭窄通道约束时，算法的收敛速度慢，效率会大幅下降。而RRT Connect或Bidirectional RRT(双向RRT)算法，同时在初始状态点和目标状态点生长两棵快速扩展随机树，提高了空间路径搜索的效率，但RRT Connect方法在随机树扩展时，没有考虑机械臂或移动机器人的运动学约束，直接选择采样点与随机树多个分支点距离最小的分支点进行随机树的生长，会导致规划路径不够平滑。

同时，现有的机械臂路径规划后，直接利用得到的轨迹点，对7自由度机械臂进行实时运动控制，机械臂的运动过程不够平稳。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于解析解的7自由度机械臂控制方法与系统，由此解决现有技术存在路径规划结果不够平滑，运动过程不够平稳的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于解析解的7自由度机械臂控制系统，包括7自由度机械臂和控制模块，所述7自由度机械臂和控制模块通信连接；

所述7自由度机械臂中任意相邻3个关节电机的轴线相交于一点，任意相邻2个关节电机的轴线垂直；